细胞电融合的相关理论知识

       细胞融合是20 世纪初发展起来的一种细胞工程技术,可以在一定的诱导因素作用下使两个或多个同源或者异源细胞(原生质体)相互接触,进而发生膜融合、胞质融合和核融合,从而形成杂种细胞。细胞融合所形成的新细胞(杂合细胞)得到了来自两个父本细胞的遗传物质,因而具有新的遗传学或生物学特性。细胞融合逐渐成为细胞工程的一项核心技术,它不仅为核质相互关系、基因调控、遗传互补、肿瘤发生、基因定位、衰老控制等领域的研究提供了有力手段,而且在遗传学、动植物远缘杂交育种、发育生物学、免疫学、医药、食品以及农业等领域具有广泛应用价值。它已成为杂交育种、药物筛选、单克隆抗体制备、哺乳动物克隆以及抗癌疫苗研发等现代生物医学研究中的一项关键技术。细胞融合的诱导可以利用生物、化学和物理等因素。相应地,细胞融合方法也可以分为病毒融合法、化学融合法、电融合法、激光融合法等。其中,由于其具有可控性强、操作简便、对细胞无毒害等优点,细胞电融合方法的应用最为广泛。但是,传统电融合方法中,过高的工作电压对实验者以及实验细胞都具有不安全因素,对系统的整体电气安全性提出了很高要求。融合装置体积和细胞样品消耗大,融合效率和通量较低,实验观察和分析不方便,这些都限制了电融合方法的进一步推广。
       随着微机电系统(Micro electro mechanical systems, MEMS)和微加工技术的发展,20 世纪末科学家提出了细胞电融合芯片技术,研制出集成有微通道和微电极等微结构的融合芯片。由于融合电极间距大大缩小,芯片对工作电压要求也大为降低,从而提高了实验过程的安全性。同时,与细胞尺寸相当的微结构可以更精确地操作细胞,使细胞配对的准确率和融合率都有很大提高。而且,在芯片上可以集成细胞进样、筛选等模块,可以满足安全、高效、多功能、便携等要求。

       细胞电融合的电学及生物学基础
       细胞电融合包括3个连续的阶段:待融合的细胞紧密接触;细胞膜在电脉冲作用下穿孔;细胞间借助膜孔进行物质交换,进而融合成一个新的杂合细胞。在含离子的电解质溶液中,细胞可视为非带电球形颗粒,外加电场可以引起细胞膜两边的电解质离子极化形成电偶极子。细胞在介电电泳力的作用下运动,相互靠在一起形成细胞串珠。在电场作用下,细胞膜两边的电解质离子极化形成膜电位差,其形成时间通常为几微秒。膜电压对膜产生一定的压力,受压后,膜变薄。当膜的厚度达到临界厚度时,膜就会因不稳定而形成穿孔,此时的电压为临界电压。如果穿孔区域位于两细胞紧接的地方,穿孔处的膜会互相连接形成通道。如果穿孔电压足够大,通道就可以大到能使两个细胞的细胞质交流。当细胞膜穿孔可逆时,细胞膜将在穿孔消失的过程中重建,两个细胞的细胞膜连在一起,最终合并形成一个新的杂种细胞。